凍土自動觀測儀與凍土器數據對比分析

趙曉英

(錫林浩特國家氣候觀象臺,錫林浩特 026000)

0 引言

凍土是指含有水分的土壤因溫度下降到0 ℃或0 ℃以下而呈凍結狀態[1]。凍土觀測是中國氣象局統一布局觀測項目,觀測內容包括土壤凍結層次和凍結深度,觀測方式主要采用人工觀測,使用TB1-1型凍土器(達尼林凍土器),人工每天定時將深達0.5～4.5 m的注水軟膠管提到地面之上,用手摸測軟管中水的凍結情況,判斷凍土層次和深度。人工觀測方式勞動強度大,內管提取、摸測過程中易產生折斷,并且受觀測人員的主觀感知程度影響,觀測結果存在人為誤差。隨著氣候監測、農業生產、建筑規劃與設計、環境監測等領域對凍土觀測數據需求的日益增多,傳統的觀測儀器和測量方式會造成凍土深度數據的準確度低,難以適應氣象觀測現代化對高精度自動觀測的需要[2-4]。當前氣象預報和服務工作需要具有觀測精度高、性能穩定、維護方便等特點的凍土自動觀測儀。鑒于以上原因,中國氣象局于2020年年底在全國有凍土觀測任務的氣象臺站安裝不同廠家不同型號的凍土自動觀測儀,并于2021-01-01正式開展凍土平行觀測。通過平行觀測,發現自動觀測和人工觀測凍結深度和凍融日期均存在一定的差異,且二者觀測數據差異較大。因此,有必要對自動觀測和人工觀測凍土深度數據做進一步的對比分析。文章通過對內蒙古錫林郭勒盟7個開展平行觀測的臺站的觀測數據進行對比分析,客觀地評估凍土自動觀測儀的性能及業務適用性,為凍土自動觀測儀后期算法改進提供參考。

1 凍土平行觀測儀器的工作原理

錫林郭勒盟開展凍土平行觀測的氣象臺站安裝的凍土自動觀測儀型號均為DTD4型,該儀器屬于測溫式凍土自動觀測儀,原理是根據水凝結成冰或冰融化成水的溫度變化特性,結合凍點確定算法,獲得凍結層次和上下限深度[5]。DTD4型凍土自動觀測儀由軟件和硬件2部分組成。軟件為嵌入式軟件,硬件主要由傳感器、數據采集器、供電單元和外圍設備等組成,可接入綜合集成硬件控制器。人工觀測儀器均采用凍土器,凍土器由外管和內管組成。外管為一根標有0 cm刻度線的硬橡膠管;內管為一根有厘米刻度的橡皮管,底端封閉,頂端與短金屬管、木棒及鐵蓋相連。內管中灌注當地的水(河水、井水、自來水等)至0刻度線處。根據內管冰柱所在位置,讀出冰柱上下兩端的相應刻度數,即為凍結層的上、下限深度值。

2 凍土平行觀測數據對比分析

2.1 平行觀測數據趨勢分析

2021年10月—2022年4月對錫林郭勒盟開展凍土平行觀測的7個氣象臺站(錫林浩特市、西烏珠穆沁旗、二連浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、多倫縣、朱日和鎮)的人工觀測與自動觀測凍土期數據進行總體趨勢分析。從錫林浩特市凍土人工與自動對比觀測結果(圖1)可知,凍土自動觀測與人工觀測深度數據趨勢基本一致。除此之外,二連浩特市凍土自動觀測與人工觀測數據趨勢較一致,凍結前期自動觀測有凍土,而人工觀測有14 d無凍土;多倫縣凍土自動觀測與人工觀測數據趨勢基本一致,凍結前期自動觀測有凍土,而人工觀測有6 d無凍土;朱日和鎮凍土自動觀測與人工觀測數據趨勢基本一致,凍結前期自動觀測有凍土,而人工觀測有15 d無凍土;西烏珠穆沁旗凍土自動觀測與人工觀測數據趨勢相差較大,趨勢線中間段差值大,凍結前期自動觀測有凍土,而人工觀測有7 d無凍土;蘇尼特左旗凍土自動觀測與人工觀測數據相差較大,凍土深度最大相差39 cm,在整個凍土觀測期最大凍土深度人工觀測值(193 cm)與自動觀測值(228 cm)差值大;阿巴嘎旗凍土自動觀測與人工觀測數據趨勢相差較大,凍結前期自動觀測有凍土,而人工觀測有22 d無凍土?？傮w來看,錫林浩特市、二連浩特市、多倫縣、朱日和鎮凍土自動觀測與人工觀測數據一致率較高,西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗凍土數據一致率較低。除蘇尼特左旗外,其他6個站在整個凍土觀測期最大凍土深度人工觀測值與自動觀測值均接近,說明人工觀測和自動觀測最大凍土深度一致率高。胡樹貞等[6]在凍土自動觀測儀外場比對試驗中對凍土自動觀測儀性能進行比對分析,認為凍土自動觀測儀取代人工凍土觀測是可行的。

圖1 錫林浩特市2021年10月—2022年4月凍土人工與自動對比觀測結果

2.2 平行觀測差異性分析

2.2.1 凍結前期

在凍結前期,凍土白天融化,夜晚凍結。錫林浩特市凍結前期時間為2021-10-16/11-12,由圖2可知,凍結前期人工和自動觀測數據相差不大,臨近凍結期數據差異增大,凍結前期絕對偏差均在5 cm以內。除此之外,西烏珠穆沁旗凍結前期絕對偏差在0～7 cm,絕對偏差>5 cm的有1 d;蘇尼特左旗凍結前期絕對偏差在0～12 cm,絕對偏差>5 cm的有6 d,絕對偏差>10 cm的有5 d;多倫縣凍結前期絕對偏差在0～8 cm,絕對偏差>5 cm的有2 d;二連浩特市凍結前期絕對偏差在0～7 cm,絕對偏差>5 cm的有7 d;阿巴嘎旗凍結前期絕對偏差在4～16 cm,絕對偏差>5 cm的有23 d,絕對偏差>10 cm的有4 d;朱日和鎮凍結前期絕對偏差在2～21 cm,絕對偏差>5 cm的有30 d,絕對偏差>10 cm的有21 d,絕對偏差>20 cm的有1 d?？傮w來看,錫林浩特市、西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、多倫縣人工觀測和自動觀測凍結前期絕對偏差較小,朱日和、二連浩特市、阿巴嘎旗人工觀測和自動觀測凍結前期絕對偏差較大。

圖2 錫林浩特市凍結前期凍土深度絕對偏差對比

2.2.2 凍結期

按照業務規定,當凍土深度穩定達到10 cm后進入凍結期。錫林浩特市凍土深度凍結期時間為2021-11-13/2022-03-24,凍結期133 d。由圖3可知,錫林浩特市凍結期絕對偏差在1～16 cm,凍結期絕對偏差>10 cm的有39 d,占整個凍結期29%,其中有19 d人工觀測值大于自動觀測值,其余時間人工觀測值均小于自動觀測值。除此之外,西馬珠穆沁旗凍結期128 d,凍結期絕對偏差在0～16 cm,凍結期絕對偏差>10 cm的有80 d,占整個凍結期63%,人工觀測值全部大于自動觀測值;阿巴嘎旗凍結期144 d,凍結期絕對偏差在2～31 cm,凍結期絕對偏差>10 cm的有104 d,占整個凍結期72%,人工觀測值均小于自動觀測值;二連浩特市凍結期136 d,凍結期絕對偏差在0～8 cm,凍結期絕對偏差均<10 cm,人工觀測值小于自動觀測值的時間為126 d;多倫縣凍結期137 d,凍結期絕對偏差在1～13 cm,凍結期絕對偏差>10 cm的有11 d,占整個凍結期8%,人工觀測值均大于自動觀測值;朱日和鎮凍結期97 d,凍結期絕對偏差在1～17 cm,凍結期絕對偏差>10 cm的有14 d,占整個凍結期14%,人工觀測值均小于自動觀測值;蘇尼特左旗凍結期131 d,凍結期絕對偏差在10～39 cm,凍結期絕對偏差>10 cm的有128 d,占整個凍結期98%,人工觀測值均小于自動觀測值?？傮w來看,錫林浩特市、西烏珠穆沁旗、阿巴嘎旗凍土深度人工觀測和自動觀測在凍結期絕對偏差較大,二連浩特市、多倫縣、朱日和鎮凍土深度人工觀測和自動觀測在凍結期絕對偏差較小,蘇尼特左旗凍土深度人工觀測和自動觀測在凍結期絕對偏差太大。

圖3 錫林浩特市凍結期凍土深度絕對偏差對比

2.2.3 融化期

隨著氣溫逐漸升高,凍土開始融化,融化期為凍土開始融化至凍土全部融化的日期。錫林浩特市凍土融化期時間為2022-03-25/04-26,共33 d。由圖4可知,錫林浩特市融化期凍土深度上限絕對偏差在8～107 cm,上限絕對偏差>10 cm的有28 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在1～36 cm,下限絕對偏差>10 cm的有4 d。阿巴嘎旗凍土融化期42 d,融化期凍土深度上限絕對偏差在14～78 cm,上限絕對偏差>10 cm的有23 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在0～18 cm,下限絕對偏差>10 cm的有3 d,自動觀測比人工觀測早融化19 d。多倫縣凍土融化期30 d,融化期凍土深度上限絕對偏差在2～41 cm,上限絕對偏差>10 cm的有15 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在0～8 cm,下限絕對偏差均<10 cm。朱日和鎮凍土融化期8 d,融化期凍土深度上限絕對偏差在0～19 cm,上限絕對偏差>10 cm的有7 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在3～8 cm,下限絕對偏差均<10 cm。西烏珠穆沁旗凍土融化期42 d,融化期凍土深度上限絕對偏差在0～13 cm,上限絕對偏差>10 cm的有2 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在0～9 cm,下限絕對偏差均<10 cm,自動觀測比人工觀測早融化2 d。二連浩特市凍土融化期13 d,融化期凍土深度上限絕對偏差在5～52 cm,上限絕對偏差>10 cm的有11 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在7～16 cm,下限絕對偏差>10 cm的有8 d,自動觀測比人工觀測早融化2 d。蘇尼特左旗凍土融化期38 d,融化期凍土深度上限絕對偏差在8～60 cm,上限絕對偏差>10 cm的有22 d;融化期凍土深度下限絕對偏差在1～33 cm,下限絕對偏差>10 cm的有22 d,自動觀測比人工觀測早融化12 d?？傮w來看,錫林浩特市、阿巴嘎旗、朱日和鎮凍土深度人工觀測和自動觀測在融化期上限絕對偏差較大,下限絕對偏差較小;西烏珠穆沁旗融化期上、下限絕對偏差均較小;二連浩特市、蘇尼特左旗融化期上、下限絕對偏差均較大。

圖4 錫林浩特市融化期凍土深度絕對偏差對比

2.3 平行觀測相關性分析

對2021年10月—2022年4月錫林郭勒盟開展凍土平行觀測的7個氣象臺站凍土人工觀測與自動觀測數據的相關性進行分析可知,錫林浩特凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化0.96 cm,凍土人工觀測和自動觀測相關系數為0.9976;西烏珠穆沁旗凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化0.97 cm,相關系數為0.9954;二連浩特凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化0.96 cm,相關系數為0.9980;阿巴嘎旗凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化0.95 cm,相關系數為0.9931;蘇尼特左旗凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化1.10 cm,相關系數為0.9940;多倫縣凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化1.00 cm,相關系數為0.9973;朱日和鎮凍土人工觀測數據每變化1 cm,自動觀測數據變化0.95 cm,相關系數為0.9973。以上各站自動觀測和人工觀測數據均存在顯著的正相關關系,且相關性顯著,說明凍土自動觀測儀測量的凍土深度和凍土器測量的凍土深度數據之間有較高的相關性。

3 差異原因分析

3.1 外套管周圍土壤密實度不夠或0 cm刻度線不準確

部分臺站在凍結期安裝凍土儀,且安裝時間較短,土壤較松弛,一段時間后出現沉降現象,導致0 cm刻度線偏低;另有部分臺站對地下巖石層采用開挖后填埋的方式,導致凍土儀外套管周圍土壤密實度與人工凍土器不同,使觀測數據準確性降低。

3.2 凍土自動觀測儀和凍土器周圍環境不同

多數臺站凍土器附近無踏板,業務人員每日進行凍土觀測時,會踩踏凍土器周邊積雪使積雪融化加快,導致凍土器四周土壤裸露,地溫較低,土壤凍結深度明顯偏大。部分臺站人工凍土器或凍土自動觀測儀附近有其他設備遮擋,使凍土器或凍土自動觀測儀長期處于背陰地帶,導致凍土數據持續偏大。

3.3 凍土自動觀測儀和凍土器測量原理不同

自動觀測儀器測量和人工測量原理的不同是產生數據差異的主要原因[7-9]。凍土自動觀測儀最近幾年才投入應用,采集器算法軟件還需不斷改進,可通過平行觀測數據校正自動觀測算法,使觀測數據更準確。

4 結束語

文章通過對2021年10月—2022年4月錫林郭勒盟開展凍土平行觀測7個氣象臺站的凍土人工觀測與自動觀測數據進行分析,得出以下結論:

1)凍土自動觀測與人工觀測數據一致率高的臺站有錫林浩特市、二連浩特市、多倫縣、朱日和鎮,數據一致率低的臺站有西烏珠穆沁旗、蘇尼特左旗、阿巴嘎旗。

2)凍結前期凍土人工觀測值與自動觀測值相差不大,出現凍結前期自動觀測有凍土,而人工觀測沒有凍土情況的臺站有二連浩特市(14 d)、阿巴嘎旗(22 d)、西烏珠穆沁旗(7 d)、多倫縣(6 d)、朱日和鎮(15 d)。

3)在凍結期大部分臺站凍土人工觀測值與自動觀測值相差較大,其中蘇尼特左旗觀測值相差最大(33 cm),阿巴嘎旗觀測值相差31 cm,且人工觀測值低于自動觀測值。

4)在融化期凍土人工觀測和自動觀測數據上限絕對偏差較大,下限絕對偏差較小。從凍融日期分析,自動觀測比人工觀測融化日期提前,阿巴嘎旗自動觀測比人工觀測早融化19 d,凍土自動觀測和人工觀測在融化期差異性最大,一致性較低。

5)最大凍土深度自動觀測和人工觀測的數據一致率高。

6)自動觀測和人工觀測存在正相關關系,且相關性顯著。